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In situ Transmission Electron Microscopy Studies of Microstructure Evolution in Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 Piezoceramic

Zakhozheva, Marina :
In situ Transmission Electron Microscopy Studies of Microstructure Evolution in Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 Piezoceramic.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: In situ Transmission Electron Microscopy Studies of Microstructure Evolution in Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 Piezoceramic
Language: English
Abstract:

The purpose of this work is to understand the microstructural features which contribute to the strong electromechanical properties of the lead-free Ba (Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT) piezoelectric ceramic. Detailed conventional transmission electron microscopy (TEM) studies on a broad variety of BZT – xBCT were performed in order to demonstrate the composition dependent structural changes. Moreover, several in situ TEM techniques, including in situ hot- and cold-stage, in situ electric field and in situ electric field with simultaneous cooling, were successfully applied in order to monitor the domain morphology evolution in real time. By means of in situ temperature dependent TEM experiments it was shown that during rhombohedral -> orthorhombic -> tetragonal phase transition the domain morphology changed according to the crystal structure present. During in situ electric field investigations the displacement of the domain walls and changes in the domain configuration during electrical poling were observed, which indicates a high extrinsic contribution to the piezoelectric response in all BZT – xBCT compositions studied. From the results of in situ electric field TEM experiments with simultaneous cooling, we obtained experimental evidence that the further the composition deviates from the polymorphic phase boundary, the higher the electric field required to fully pole the material.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ziel dieser Arbeit ist es die Auswirkungen der ferroelektrischen Domänenstruktur von bleifreien Piezokeramiken des Systems Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT) auf die elektromechanischen Eigenschaften der Keramik besser zu verstehen. Es wurden detaillierte transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Untersuchungen am System BZT – xBCT mit unterschiedlichen Anteilen BZT und BCT durchgeführt, um die Abhängigkeit der Domänenkonfiguration von der Zusammensetzung zu analysieren. Zusätzlich wurden die in-situ TEM Techniken in-situ Heizen und Kühlen, sowie in-situ elektrisches Feld (E-Feld) und in-situ E-Feld bei gleichzeitigem Kühlen erfolgreich angewandt und es konnte die Veränderung der ferroelektrischen Domänenstruktur unter den variierenden Bedingungen in Echtzeit beobachtet werden. Mittels der temperaturabhängigen in-situ TEM Methoden konnten die durch das Phasendiagramm vorgegebenen Umwandlungen der Struktur von rhomboedrischer zu orthorhombischer zu tetragonaler Symmetrie anhand von Veränderungen der Domänenkonfiguration beobachtet und bestätigt werden. Während der in-situ E-Feld Experimente konnten Verschiebungen der ferroelektrischen Domänenwände und die Veränderungen der Domänenkonfiguration beobachtet werden, und somit ein hoher extrinsischer Beitrag zu dem piezoelektrischen Effekt in allen untersuchten Zusammensetzungen von BZT – xBCT nachgewiesen werden. Durch die in-situ E-Feld Experimente bei gleichzeitiger Kühlung konnte gezeigt werden, dass zunehmend stärkere elektrische Felder notwendig sind, um das das Material vollständig zu polen, je weiter die Zusammensetzung von der polymorphen Phasengrenze entfernt ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geo-Material-Science
Date Deposited: 16 Dec 2016 13:36
Last Modified: 16 Dec 2016 13:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57572
Referees: Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim and Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 21 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5757
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